JP3926344B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明はロボットシステム(robot system)に関し、より詳しくは、ビーコンから発信する位相情報を含んだ光を受信してロボットの位置を認識するロボットシステムに関する。

ロボットは産業全般にかけて利用範囲がさらに拡大されており、家庭用の家事を分担するロボットなど多様な機能を遂行するロボットが登場している。従来のロボットは限定された空間に固定されて特定機能を遂行したが、最近のロボットは自律的に移動し特定の軌道から外れて動作している。

移動ロボットが目的地に移動するための方法としては移動経路上に設置されたガイド線又は装置を探知するなど多様な方法が利用されている。

図１は従来のビーコンを利用して移動ロボットが自分の位置を認識するロボットシステムの簡略図面である。

図１に示したように、従来のロボットシステムはビーコン１００と移動ロボット１１０とを有する。

ビーコン１００は固定された位置で赤外線又は電磁波など直進性を有する光を発信する複数の発信装置１０１を有する。

発信装置１０１から発信される光は直進性を有するため、それぞれの発信装置１０１から発信される光は発信装置１０１の位置によって一定の領域に位置する移動ロボット１１０に到達されるようになっている。また、それぞれの発信装置１０１は他の発信装置１０１と区別される固有な情報を有する光を発信する。

移動ロボット１１０は複数の受信装置１１１と制御装置（図示せず）とを有する。

受信装置１１１は前記ビーコン１００の発信装置１０１から発信される光を受信し、受信された光の強さに関する情報を制御部（図示せず）に出力する。

制御装置（図示せず）は受信装置１１１から入力された光の強さに基づいてビーコン１００の位置を測定して相対的な移動ロボット１１０の位置を認識する。

以下、従来ロボットシステムの移動ロボット１１０の位置認識方法を具体的に説明する。

移動ロボット１１０の移動中に複数の受信装置１１１にはビーコン１００の発信装置１０１から発信される光が受信され続ける。発信装置１０１から発信される光は直進性を有するが、光の到達距離が遠くなるほど拡散される現象を有し、受信装置１１１と発信装置１０１が一直線になった時に受信される光の強さが最も大きな値を有する。

受信装置１１１は受信された光の強さを制御部（図示せず）に出力し、制御部（図示せず）は複数の受信装置１１１から入力された光の強さに基づいてビーコン１００の相対的な位置を測定する。

各受信装置１１１に受信されるそれぞれの光は直進性によって干渉が起こらなく、ビーコン１００に装着された発信装置１０１に対して固有な情報を有するため、制御部（図示せず）はビーコン１００に対するロボットの相対的な位置を計算することができる。

しかし、従来のビーコン１００を利用したロボットシステムはアナログ信号を使用しており、発信／受信装置の特性によって影響を大きく受けるため、光の強さを正確に測定できない問題点があった。そして、空間から送出されるウェーブのエネルギーは光からの距離の三乗に反比例するので、移動ロボット１１０がビーコン１００の近くにある場合に制限的にのみ用いることができる問題点があった。

その他に、カメラなどを移動ロボット１１０に装着し画像処理方法を利用してロボットの位置を認識するロボットシステムは設置費用が過多にかかるだけでなく、照明の変化に敏感である問題点があった。

上記の目的は本発明によって、位置判別用光を送出する送信部が装着されたビーコンと、前記光を受信する受信部を有する移動ロボットとを含むロボットシステムにおいて、前記送信部を所定の中心軸を原点として回転させる回転駆動部と、前記送信部が前記回転駆動部によって基準方向に対して回転された位相情報を前記光に含ませるエンコーダ部と、前記受信部に受信された前記光の位相情報に基づいて前記移動ロボットの位置を測定する位置測定部とを含むことを特徴とするロボットシステムによって達成され得る。ここで、前記送信部は一つ以上の発信装置を有し、前記発信装置は前記回転駆動部によって前記原点を中心に回動されるようにすることができる。

そして、前記送信部は前記ビーコンに支持され地面と水平な方向に対して斜めに設置される鏡と、前記鏡に前記光を所定の入射角に出力する発信装置とを有し、前記回転駆動部は前記鏡を前記原点を中心に回転させ、前記エンコーダ部は前記鏡が前記回転駆動部によって基準方向に対して回転された位相情報を前記光に含ませるようにすることができる。ここで、前記送信部は前記鏡の両面に対して前記光を出力する２つの発信装置を含むようにすることもできる。

前記受信部は前記発信部から送出される光を受信できる受信装置を有するようにすることができ、前記受信部は同時に多方向から入射される光を一方向に出力する円錐形鏡と前記円錐形鏡から出力される光を受信する受信装置とを有するようにすることができる。

前記ビーコンは固有なビーコン情報を有し、前記エンコーダ部は前記位相情報と前記ビーコン情報を前記光に含ませるようにするのが好ましい。

前記位置測定部は前記移動ロボットの変位と前記受信部に受信された前記位相情報に基づいて前記移動ロボットの位置を測定するようにすることができる。

本発明によって少ない個数の発信装置を用いて周辺環境及び距離の影響を受けずより精密な移動ロボットの位置を測定することができ、費用を節減することができる。

図２は本発明の実施例によるロボットシステムのブロック構成図である。
図２に示したように、ロボットシステムは送信部１０、受信部２０、回転駆動部３０、エンコーダ部４０及び位置測定部５０を有する。

送信部１０はビーコンに装着され移動ロボットの位置判別用光を送出するための１または２以上の発信装置を有する。光は赤外線、電磁波など直進性を有する波（wave）を用いることができ、位相遷移方式（phase shift keying）、周波数遷移方式（frequency shift keying）などによって各種情報を含むことができる。

受信部２０は送信部１０から発信される光を受信できる１または２以上の受信装置を有する。受信装置は発信装置から発信される直進性を有する光を受信するために指向性を有するように構成されるため、互いに異なる受信装置は同一な位相情報を有する光を受信することができない。

回転駆動部３０はモータ及び回転軸を有し前記送信部１０を所定の中心軸を原点として回転させる。前記送信部１０が複数の発信装置を有する場合、原点は配列された発信装置の中心に位置するのが好ましい。発信装置から指向される角度が移動ロボットの予想移動位置を全て感知できるように前記発信装置が装着された場合、回転駆動部３０は一定の角度以内で回動するようにするのが好ましい。回転駆動部３０は一定の基準方向を有し、回転駆動部３０の駆動によって前記送信部１０が基準方向に対して遷移された位相に関する情報をエンコーダ部４０に出力する。

エンコーダ部４０は前記回転駆動部３０から出力された位相情報が光に含まれるようにコーディングまたはモジュレーションを遂行する。エンコーダの方法は光の形態によってＦＳＫ（Frequency Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）などで多様に実現できる。複数のビーコンが設置される場合、ビーコンを区別するためのそれぞれの固有ビーコン情報が必要であり、エンコーダ部４０はこのようなビーコン情報を位相情報と共に光に含ませる。

位置測定部５０は前記受信部２０で測定される光に含まれた位相情報を検出し、位相情報に基づいてビーコンと移動ロボットの相対的位置を計算する。位相情報を利用した位置測定は少なくとも３つの位相情報に基づいて行われることができる。したがって、一時点で受信される位相情報を通じて相対位置を測定するためには位相情報を受信した３つ以上の受信装置を必要とする。もし受信装置が３つ未満であるか受信装置で受信された位相情報が３つ未満である場合には移動ロボットの変位と時刻を別にして測定された位相情報に基づいてビーコンに相対的な移動ロボットの位置を計算する。

送信部１０の発信装置は回転駆動部３０によって一定の角周波数で回転される。回転駆動部３０は一定の方向に対して回転された発信装置の位相情報をエンコーダ部４０に出力し、エンコーダ部４０は位相情報を発信装置から発信される光に含ませる。発信装置から発信された光は移動ロボットの受信部２０で受信され、受信された光はデコーダーされて位置測定部５０に出力され、位置測定部５０は位相情報に基づいて移動ロボットとビーコン１の相対的な位置を測定する。

送信部１０は発信装置の形態と個数によって多様な方法で実現でき、それによる回転駆動部３０の駆動領域も変わる。

図３Ａ、図４Ａ及び図５Ａは本発明の実施例によるビーコンに装着される発信装置の斜視図である。
図３Ａ、図４Ａ及び図５Ａに示されているように、ビーコン１は発信装置１１、回転軸３１及びモータ３３を有する。

発信装置１１は支持台１２に装着され、回転軸３１は支持台１２とモータ３３に連結されてモータ３３によって発生する回転力を支持台１２及び発信装置１１に伝達する。

図３Ａの発信装置１１はモータ３３が３６０度駆動されて発信装置１１がビーコン１から３６０度の全方向に対して光を発信するようにし、モータ３３の時間による回転位相角をエンコーダ部４０に出力する。

一方、図４Ａではモータ３３が１８０度の位相範囲内で反復的に回転駆動して２つの発信装置１１がビーコン１から３６０度の全ての方向に対して光を発信することができるようにする。

図５Ａは３つの発信装置１１が６０度の間隔で支持台１２に装着された場合である。この場合、モータ３３が６０度の位相範囲内で反復的に回動すると、３つの発信装置１１がビーコン１から１８０度の方向に対して３つの光を同時に発信することができる。場合によってビーコン１から３６０度の全方向に対して光を発信する必要がない場合、つまり、ビーコン１の位置による死角（dead angle）が発生したり、移動ロボットの移動半径が決められてあったり、全ての方位に対して発信する必要がない場合、使用者は発信装置１１の装着角度及びモータ３３の回動位相角をセッティングすることができる。

図３Ｂ、図４Ｂ及び図５Ｂは各々図３Ａ、図４Ａ及び図５Ａにおける発信装置１１が位相角以内を回動する場合の位相を区画した位相区画図である。

モータ３３が駆動すると、発信装置１１は一定の角周波数によって回転し一定の基準方向を基準に時間によって位相が変わる。これにより、発信装置１１は回転と同時にその位置の位相情報を有する光を出力する。

図５を参照すると、位相角１度が変更された毎に位相情報が光に含まれるとする時、各発信装置１１は６０回光を発信し同時に３つの光が発信される。

発信装置１１が３つである図５の場合と発信装置１１が２つである図４の場合とを比較すると、空間上の一定の地点に対して発信装置１１から光が到達する発信周期時間が発信装置１１が３つである場合にさらに小さい。したがって、発信装置１１の個数を増加させると、移動ロボットの位置を測定するにあたって分解能が良くなるが、費用が上昇することができる。

図６は本発明の実施例によって片面鏡を利用するビーコンの斜視図である。

ビーコン１は片面鏡１３、発信装置１１、回転軸３１及びモータ３３を有する。

片面鏡１３は回転軸３１に連結され発信装置１１から所定の入射角を有する光を受信して反射する。

発信装置１１は片面鏡１３の上部または下部に装着されて位置判別用光を片面鏡１３の反射面に送出する。

回転軸３１は片面鏡１３に連結されてモータ３３の回転力が片面鏡１３に伝達されるようにし、モータ３３は片面鏡１３を一定の角速度で回転させる。この場合、モータ３３は３６０度の区間を反復的に回転すると全ての方向に対して光を発信することができるようになる。

片面鏡１３に一つの発信装置１１を通じて光を発信しモータ３３を３６０度回転するようにすることができ、この場合、モータ３３の区間を反復的に回動させることを避け速度を高めることができる利点を得ることができる。反面、発信装置１１一つを回転軸３１に連結しモータ３３を３６０度回転させる場合、発信装置１１に連結されるケーブルなどが互いに縺れるようになって３６０度連続回転を実現するのが難しい。

図７は本発明の実施例によって両面鏡を利用するビーコンの斜視図である。

ビーコン１は両面鏡１５、発信装置１１、回転軸（図示せず）及びモータ（図示せず）を有する。

発信装置１１はビーコン１の上部及び下部に設置されて両面鏡１５の両面に所定の入射角を有するように光を発信し、両面鏡１５は水平方向に対してななめに傾いた状態に装着されて発信装置１１から入射される光が水平方向に反射されるようにする。

回転軸（図示せず）は両面鏡１５に連結されてモータ（図示せず）の回転力が鏡に伝達されるようにし、モータ（図示せず）は両面鏡１５を一定の角速度で回転させる。この場合、モータ３３は１８０度の区間を反復的に回動すると全ての方向に対して光を発信することができるようになる。

図８は本発明の実施例による受信装置が装着された簡単な移動ロボットの斜視図である。

図８に示されているように、移動ロボット６０は移動手段である輪６１を有し受信装置２１を有する。

受信装置２１はビーコン１の発信装置１１から発信される直進光を受信するために指向性を有するため、受信装置２１間には同一な位相情報を有する光が同時に受信される場合は発生しない。したがって、移動ロボット６０の受信装置２１が多数装着されるほど多方向に位置するビーコン１から発信される光を同時に受信することができて移動ロボット６０の位置分解度が良くなる。

図９Ａは本発明の実施例による円錐形鏡２３を有する受信部２０が含まれた移動ロボット６０の斜視図であり、図９Ｂは図９Ａの移動ロボット６０に装着された受信部２０の拡大図である。

じょうご形態の円錐形鏡２３は外部から水平方向に入射される光をじょうごの端部に集め、入射されるそれぞれの光が一つの受信装置２１に入力されて位置測定部５０に伝達される。円錐形鏡２３の曲率は水平方向から入る多様な高さを有する光が一地点に集められ得るように決められなければならない。

このような受信部２０は受信装置２１が指向性を有することによって発生する問題点を解決し移動ロボット６０に位置に関係なく光を受信して位相情報を得ることができる長所を有する。

図１０は本発明の実施例による移動ロボット６０の移動経路に死角がある場合の複数のビーコン使用を説明するための簡略図である。

図１０に示したように、移動ロボット６０の移動区間が多数の空間に区画されて一つのビーコン１から発信される光が移動ロボット６０に常に伝達されるのではない。

このような場合に移動ロボット６０がいずれの位置に存在してもその位置を測定するために、複数のビーコン１ａ、１ｂ、１ｃが必要になる。第１ビーコン１ａは空間Ａに対して、第２ビーコン１ｂは空間Ｂに対して、第３ビーコン１ｃは空間Ｃに対して光を発信する。

それぞれのビーコン１ａ、１ｂ、１ｃは他のビーコン１ａ、１ｂ、１ｃと区別される固有のビーコン情報を有し、各ビーコン１ａ、１ｂ、１ｃに装着されているエンコーダ部４０は発信される光にビーコン情報を含ませて発信する。また、各ビーコン１ａ、１ｂ、１ｃに対して移動ロボット６０が位置できる位相が限定的に決定されるので、各ビーコン１ａ、１ｂ、１ｃの回転駆動部３０のモータ３３の駆動区間を限定するのが好ましい。

移動ロボット６０は移動位置によって位相情報だけでなくいかなるビーコン１ａ、１ｂ、１ｃから発信された位相情報なのかを同時に判断して、位相情報が発信されたビーコン１ａ、１ｂ、１ｃに対する相対的な位置を測定するようになる。

図１１は本発明の実施例によって位相情報に基づいて移動ロボット６０のビーコン１に対する相対的位置を計算する方法を説明するための概略図である。

移動ロボット６０は３つの受信装置２１を有し停止した状態であると仮定すると、図１１に示したように、ビーコン１の一つの送信部１０から発信される光を時間を異にして受信するようになる。

第１受信装置２１ａ、第２受信装置２１ｂ及びビーコン１の送信部１０をすぎ仮想の半径Ｒ_Ａを有する円Ａと、第２受信装置２１ｂ、第３受信装置２１ｃ及びビーコン１の送信部１０をすぎ仮想の半径Ｒ_Ｂを有する円Ｂを決定することができる。ビーコン１の送信部１０から第１受信装置２１ａに受信された位相情報がtheta_{１}、第２受信部２１ｂに受信された位相情報がtheta_{２}、第３受信装置２１ｃに受信された位相情報がtheta_{３}とすると、円Ａの中心を基準に第１受信装置２１ａと第２受信装置２１ｂの間の角度（theta_{Ａ}）と円Ｂの中心を基準に第２受信装置２１ｂと第３受信装置２１ｃの間の角度（theta_{Ｂ}）は次の通り求められる。
Theta_{Ａ}＝２（theta_{２}−theta_{１}）、theta_{Ｂ}＝２（theta_{３}−theta_{２}）

したがって、移動ロボット６０の各受信装置２１ａ、２１ｂ、２１ｃで測定された位相情報theta_{１}、theta_{２}、theta_{３}からtheta_{Ａ}、theta_{Ｂ}を求めることができ、二つの円の交点を測定して移動ロボット６０からのビーコン１の位置が分かる。これは逆にビーコン１の位置から相対的な移動ロボット６０の位置が分かることを意味する。

もし受信部２０を通じて受信された位相情報が３つより多い場合には平均値を通じてさらに正確な位置が分かるだけでなく、受信された位相情報が３つ未満である場合には移動ロボット６０の移動位置による位相情報を考慮して移動ロボット６０の位置を求めることができる。位相情報を利用して位置を測定する方法は前記実施例の方法の他にも多様な方法が利用され得る。

本発明のいくつかの実施例が図示されて説明されたが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する当業者であれば本発明の原則や思想から外れず本実施例を変形できることが分かる。そして、発明の範囲は添付された請求項とその均等物により決められる。

従来のビーコンを利用して移動ロボットが自分の位置を認識するロボットシステムの簡略図である。 本発明の実施例によるロボットシステムのブロック構成図である。 本発明の実施例によるビーコンに装着される発信装置の斜視図である。 図３Ａにおける発信装置１１が位相角以内を回動する場合の位相を区画した位相区画図である。 本発明の実施例によるビーコンに装着される発信装置の斜視図である。 図４Ａにおける発信装置１１が位相角以内を回動する場合の位相を区画した位相区画図である。 本発明の実施例によるビーコンに装着される発信装置の斜視図である。 図５Ａにおける発信装置１１が位相角以内を回動する場合の位相を区画した位相区画図である。 本発明の実施例によって片面鏡を用いるビーコンの斜視図である。 本発明の実施例によって片面鏡を用いるビーコンの斜視図である。 本発明の実施例によって両面鏡を用いるビーコンの斜視図である。 本発明の実施例によって両面鏡を用いるビーコンの斜視図である。 本発明の実施例による受信装置が装着された簡単な移動ロボットの斜視図である。 本発明の実施例による円錐形鏡を有する受信部が含まれた移動ロボットの斜視図である。 図９Ａの移動ロボットに装着された受信部の拡大図である。 本発明の実施例による移動ロボットの移動経路に死角がある場合の複数のビーコンの使用を説明するための簡略図である。 本発明の実施例によって位相情報に基づいて移動ロボットのビーコンに対する相対的位置を計算する方法を説明するための概略図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ビーコン
１０ 送信部
１１ 発信装置
１２ 支持台
１３ 片面鏡
１５ 両面鏡
２０ 受信部
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 受信装置
２３ 円錐形鏡
３０ 回転駆動部
３１ 回転軸
３３ モータ
４０ エンコーダ部
５０ 位置測定部
６０ 移動ロボット
６１ 輪

Claims (8)

1. 位置判別用光を送出する送信部が装着されたビーコンと、前記光を受信する受信部を有する移動ロボットとを含むロボットシステムにおいて、
   一定の間隔で配置された２つ以上の発信装置を有する前記送信部を所定の中心軸を原点として回転させる回転駆動部と、
   前記送信部が前記回転駆動部によって基準方向に対して回転された位相情報を前記光に含ませるエンコーダ部と、
   前記受信部に受信された前記光の位相情報に基づいて前記移動ロボットの位置を測定する位置測定部とを含むことを特徴とするロボットシステム。
2. 前記発信装置は前記回転駆動部によって前記原点を中心に回動されることを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記送信部は前記ビーコンに支持され地面と水平な方向に対して斜めに設置される鏡を有し、前記発信装置の前記光を前記鏡に所定の入射角に出力させ、
   前記回転駆動部は前記鏡を前記原点を中心に回転させ、
   前記エンコーダ部は前記鏡が前記回転駆動部によって基準方向に対して回転された位相情報を前記光に含ませることを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。
4. 前記送信部は、前記鏡の両面に対して前記発信装置の前記光を出力することを特徴とする、請求項３に記載のロボットシステム。
5. 前記受信部は、前記送信部から送出される光を受信することができる受信装置を有することを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。
6. 前記受信部は、同時に多方向から入射される光を一方向に出力する円錐形鏡と、前記円錐形鏡から出力される光を受信する受信装置とを有することを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。
7. 前記ビーコンは固有なビーコン情報を有し、前記エンコーダ部は前記位相情報及び前記ビーコン情報を前記光に含ませることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載のロボットシステム。
8. 前記位置測定部は、前記移動ロボットの変位と前記受信部に受信された前記位相情報に基づいて前記移動ロボットの位置を測定することを特徴とする、請求項１に記載のロボットシステム。

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